基于CATIA V5的福克斯整車車身逆向建模

陳 龍，季 剛，李益民，胡順安

（常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

逆向工程是通過三維數(shù)字化測量儀器對已有產(chǎn)品進(jìn)行精確和迅速的三維坐標(biāo)測量.將得到的產(chǎn)品三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點存入計算機形成特定格式的點云文件（一般都采用Stl格式），再通過使用專業(yè)的三維軟件中相應(yīng)的功能模塊來構(gòu)造出產(chǎn)品的工程設(shè)計模型，并在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)行拆解、分析和改進(jìn)，是對已有的設(shè)計進(jìn)行再設(shè)計，實際上就是一個“認(rèn)識原型——再現(xiàn)原型——超越原型”的過程.隨著21世紀(jì)計算機技術(shù)的井噴式發(fā)展，逆向工程在汽車車身開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用.通過采用CATIA V5軟件對汽車車身進(jìn)行逆向建模，能夠縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，減輕操作者勞動強度.因此，汽車車身的逆向建模具有重要意義，這也是傳統(tǒng)設(shè)計所不具備的［1］.

1 CATIA V5曲面重構(gòu)類型簡介

CATIA軟件的復(fù)雜曲面造型方法，根據(jù)其曲面構(gòu)造的方式，大致分為以下幾類.

（1）掃略曲面：輪廓線沿一條空間引導(dǎo)曲線掃略形成的曲面.

（2）填充曲面：填充圍成封閉輪廓曲線的間隙所形成的曲面.

（3）規(guī)律曲面：構(gòu)建曲面某一特征所形成的曲面（例如倒圓角）［2］.

（4）多截面曲面：控制各截面形狀以及截面的數(shù)量，按引導(dǎo)線或脊線的運動軌跡所形成的曲面.

（5）網(wǎng)格曲面：通過控制一系列由網(wǎng)格曲線相交的網(wǎng)格點的空間位置所形成的曲面.

（6）橋接曲面：以確定的邊界對兩個曲面倒圓所形成的曲面.

（7）強力擬合曲面：根據(jù)點云趨勢填充封閉輪廓曲線的間隙所形成的曲面.

在福克斯車身逆向建模過程中主要采用的曲面構(gòu)造方式為掃略曲面、填充曲面、多截面曲面、橋接曲面以及強力擬合曲面.

2 福克斯整車車身的逆向造型

?？怂拐囓嚿碓煨陀汕氨ｋU杠、機艙蓋、后保險杠、后備廂蓋、白車身和車門組成，這些部件外表面之間的相互配合構(gòu)成了汽車的外觀造型.但如今車型的更新?lián)Q代愈加頻繁，需要不斷投入資金來開發(fā)新車型.由于新車型的開發(fā)費用高、周期長、換代頻率快等因素的影響，近年來逆向工程技術(shù)在我國汽車行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用.

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是逆向工程中的第一步.而數(shù)據(jù)測量方法的選取在數(shù)據(jù)采集中起到了十分重要的作用.時至今日，能準(zhǔn)確、快速地采集產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)的設(shè)備大致分為接觸式測量和非接觸式測量兩種.

采用ATOS非接觸式測量儀對車身進(jìn)行點云掃描時，因車身具有對稱結(jié)構(gòu)，所以只需掃描一半的車身即可.將測得的點云數(shù)據(jù)以Stl格式輸出.在CATIA V5的數(shù)字編輯器（Digitized Shape Editor，DSE）模塊中，通過Import命令導(dǎo)入零件點云數(shù)據(jù)的Stl格式文件.福克斯白車身點云如圖1所示.

圖1 ?？怂拱总嚿睃c云

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在汽車白車身的逆向建模中，數(shù)據(jù)的預(yù)處理是不可或缺的一步.點的好壞直接影響了曲線的光順度以及和產(chǎn)品外表面的貼合度，從而最終影響曲面的品質(zhì).

由于機器和人為的因素，直接來自設(shè)備的點云數(shù)據(jù)往往存在大量重疊，而且由于在測量過程中沒有區(qū)分大曲率區(qū)域和平坦區(qū)域.因此在某些曲率相對平緩的區(qū)域，點云數(shù)據(jù)采集過于密集，這就導(dǎo)致了點云的數(shù)據(jù)量過于龐大.常有幾十萬、上百萬甚至更多的測量點.如此龐大的測量點集會嚴(yán)重影響后續(xù)曲面重構(gòu)的效率.因此就需要在不影響構(gòu)造曲面光順度、產(chǎn)品外表面貼合度的前提下盡量簡化測量數(shù)據(jù).同時，測量數(shù)據(jù)中往往伴有少量的壞點（需要注意的是任何測量方法都會產(chǎn)生壞點，一般是不可能完全避免的）.通常這些問題可通過過濾點云和刪除點云這兩種方法相互配合來得到適當(dāng)解決.

對于點云中的壞點，通常采用肉眼觀察的方法進(jìn)行判別.如果肉眼能直接從點云中分辨出壞點，就可直接對其進(jìn)行刪除，以消除局部凹陷、凸起或棱角.如果肉眼無法從點云中直接分辨出壞點，則可先將點云生成網(wǎng)格面，然后檢查網(wǎng)格面是否存在局部凹凸或棱角，局部凹凸處較為明顯的網(wǎng)格數(shù)據(jù)一般為壞點.可通過檢查網(wǎng)格面這種間接方法檢測出壞點，并通過對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾來消除壞點.如果不能過濾，則對點云中的壞點進(jìn)行刪除.

2.3 曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是逆向工程技術(shù)中最關(guān)鍵的部分.

將已經(jīng)生成網(wǎng)格面的車門、前后艙蓋以及白車身插入到一個裝配模塊中并建立起一個全局坐標(biāo)系，開始曲面重構(gòu).

本文分別針對每個曲面重構(gòu)的類型列舉一個典型的應(yīng)用進(jìn)行闡述.

2.3.1 重構(gòu)掃略曲面

進(jìn)入DSE模塊，使用平面交線（planar sections）命令在車身頂棚橫向上截出一條截面線，再使用Curve from Scan命令提取截面線.在提取好的截面線上取3個點并用樣條線連接，形成一條光滑的輪廓曲線.同理，在頂棚縱向上用樣條線連接成一條引導(dǎo)曲線.采用掃略命令，做出一個如圖2所示的曲面（做完頂棚曲面后要考慮其他面與頂棚曲面是否存在偏移關(guān)系）.

圖2 頂棚掃略面

2.3.2 重構(gòu)填充曲面

由于掃略曲面不能與汽車車身的某些點云很好貼合，這就需要用到填充曲面.

如圖3所示，汽車C柱三角玻璃后側(cè)多個曲率的面只能用填充曲面來表現(xiàn).

圖3 多個曲率的C柱面

在填充曲面創(chuàng)建過程中，曲面質(zhì)量的好壞以及與產(chǎn)品點云的貼合度取決于曲線的質(zhì)量.使用多截面曲面命令做出一個如圖4所示的輔助面，再經(jīng)過外插延伸并與三角玻璃豎直面分割接合在一起，結(jié)果如圖5所示.

圖4 輔助面

圖5 分割接合面

通過在兩個曲面交界處取一系列點并利用樣條線將點連接得到如圖6所示的曲線1.

圖6 曲線1

在圖6中可以看出曲線1的質(zhì)量很差，不能滿足要求.因此質(zhì)量較差的曲線往往需要經(jīng)過二次過濾才能達(dá)到曲面貼合度和光順度的要求（可利用分析工具，如查看曲率梳來檢查曲線的光順度）.在曲線1上取4個點并用樣條線連接，結(jié)果如圖7所示，曲線2滿足曲面的要求.

圖7 曲線2

順著點云的邊界取一系列點，再通過樣條線將這些點連接為一條光順的曲線，依次做出4條樣條曲線，并在點云合適的位置取一穿越點，使用填充曲面命令，結(jié)果如圖8和圖9所示.

圖8 樣條線圖

9 填充曲面

2.3.3 重構(gòu)多截面曲面

車身上有些曲面是無法用上述兩種曲面很好表現(xiàn)出來的，這時就用到了多截面曲面命令.

如圖10所示，由于此曲面跨度太長，用掃略曲面雖然能在光順度上滿足要求，但在曲面與點云的貼合度上，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求.填充曲面亦同樣如此.此時就需要用到多截面曲面.

圖10 邊框點云

多截面曲面命令通過將一定數(shù)量的輪廓線連接起來形成曲面.這些截面線是通過平面交線（planar sections）與點云相交得來的，需要注意的是，平面交線命令中的Number數(shù)值需要根據(jù)曲面的大小來具體確定，如圖11所示.

圖11 多截面曲面

2.3.4 重構(gòu)橋接曲面

橋接曲面命令通常用在如圖12所示的情況，兩個曲面的曲率相似（有時會呈 小角度的交叉狀態(tài)），不可以進(jìn)行分割接合，這時就用到了橋接曲面，具體橋接結(jié)果如圖13所示.靈活地使用橋接曲面能給車身的逆向建模帶來很大的便利.

圖12 兩個曲面

圖13 橋接曲面

2.3.5 強力擬合曲面

機艙蓋、車門以及后備廂蓋都可以利用強力擬合命令來重構(gòu)曲面.

強力擬合命令與填充曲面命令相似，不過運用強力擬合命令的限制較多，但貼合度較高.

機艙蓋、后備廂蓋與車門的外表面曲率較為平緩，因此使用強力擬合則較為合適，具體結(jié)果如圖14、圖15、圖16所示.

圖14 機艙蓋

圖15 后備廂蓋

圖16 ?？怂管囬T

3 對稱命令

如果掃描全車的數(shù)據(jù)，那么點云數(shù)據(jù)量將十分龐大，會極大拖慢逆向工程的效率.因此常常只掃描全車身一半的數(shù)據(jù)，只對半邊車身進(jìn)行逆向建模.當(dāng)半邊車身逆向完成，可以在全局坐標(biāo)系中將這半邊車身通過對稱命令直接對稱到另外一邊，再通過橋接命令將兩個部分連成一個整體.這樣就能大大提高逆向工程的效率，具體如圖17所示.

圖17 福克斯白車身

4 總裝配

進(jìn)入裝配模塊，將各部件插入到同一個product下，運用命令，彈出如圖18所示的命令對話框.

圖18 操作參數(shù)命令

通過操作參數(shù)命令可以從12個方向上移動或旋轉(zhuǎn)各部件之間的相對位置.根據(jù)?？怂管囆蜕细鞑考g正確的安裝位置，將各部件按照正確的相對位置裝配到白車身上.裝配好后，仍需對各部件之間的相對位置進(jìn)行微調(diào)，從而使裝配間隙盡可能小.微調(diào)完成后，總裝配才算完成，具體效果如圖19所示.

圖19 ?？怂拐囇b配圖

5 結(jié)語

在福克斯整車逆向建模中，想要得到質(zhì)量較好的曲面，需要注意以下幾點：

1）曲面重構(gòu)時應(yīng)從整車裝配工藝出發(fā)，要充分考慮零件之間的配合面問題，把間隙和公差控制在允許范圍內(nèi)，否則將會導(dǎo)致逆向零件出現(xiàn)裝配不良等情況.

2）對于曲率變化比較均勻的曲面，直接由特征線構(gòu)建的曲面（如用拉伸、掃掠等命令）的精度比用強力擬合（power fit）更高.而對于某些曲面跨度較大，曲率較為復(fù)雜，用掃略曲面不能很好地將曲面逆向出來，此時就用到了強力擬合（power fit）命令.

3）逆向建模時要盡可能先構(gòu)建大面，然后再構(gòu)建小面.

4）壞點的存在會給建模帶來不必要的麻煩，在一定程度上還會使模型失真，壞點的剔除是逆向車身的第一步.

5）逆向建模時還需要揣摩設(shè)計師的意圖，根據(jù)設(shè)計師的意圖來確定特征線的正確劃分位置.

6）構(gòu)建特征線時需要注意特征線的品質(zhì).當(dāng)特征線的質(zhì)量較差時，可以對其進(jìn)行二次取點，使用樣條線連接，從而得到品質(zhì)較好的特征線.

7）在對已接合的曲面倒角時，需要注意倒角順序，不同的倒角順序得到的倒角結(jié)果會有很大差別.